专利名称：跨越叶片俯仰角控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及叶片俯仰角控制系统。
背景技术：
斜旋翼飞行器具有可在旋翼，旋翼可在旋翼负责飞行(直升机模式)的 基本上垂直取向和机翼负责飞行(飞机模式)的基本上水平取向之间移动。
斜旋翼飞行器的一个示例是Bell/Boeing V-22,其具有一对三叶片旋翼。为了 能使用更大的机身、更大的推力以及更高的速度，已经提出了具备四叶片旋 翼的斜旋翼。但是，采用现有万向节式旋翼浆毂的四叶片旋翼在飞机模式下 可能不稳定，原因在于对涡旋的衰减不充分。
用于直升飞机和斜旋翼飞行器的旋翼叶片控制系统是复杂的电子和/或 机械系统。该控制系统响应飞行员的输入，但是也必须适应作用在旋翼组件 上且通常超出飞行员控制范围的力。机械控制系统通常包括斜盘，其包括静 止部分和旋转部分。通常，下部静止部分固定就位且不旋转，但是能上下移 动和/或向任意方向倾斜。通常称为"静止"或"不旋转"盘。飞行员输入通 过集中控制改变静止盘的位置并且通过循环控制来改变静止盘的倾斜度。斜 盘的旋转部分自由旋转。飞行员对不旋转部分的输入传递到控制系统的旋转 部分。
在现有技术中，旋转部分通常机械地连接到每个具体的旋翼叶片。例如， 在一种控制系统中，俯仰联杆将旋翼叶片上的俯仰角柄直接连接到斜盘的旋 转盘，允许斜盘改变每个旋翼叶片的叶片角度。
但是，在控制系统中需要包括尽可能减小朴动度的子系统。在斜旋翼飞 行器中，抵消朴动运动的有害影响显得特别重要，尤其是因为飞行器行进速 度非常高，特别是在飞机模式下飞行时。在现有技术中，存在两种基本方案 一种是采用倾斜的朴动铰链，另一种是采用偏置的俯仰角柄。两种方案都引 起在系统中引入俯仰-朴动耦合即德尔塔-3参数的运动学效果，而且德尔塔-3 参数涉及叶片俯仰角针对给定叶片朴动量而发生的变化量。设计者正在谋求优化德尔塔-3来抵消飞行中的遇到的朴动动作。
影响空气动力学稳定性和斜旋翼的旋翼响应的另一个运动学耦合参数 是俯仰-锥进耦合，或者说德尔塔-0参数。类似于俯仰-朴动耦合，俯仰-锥进 耦合参数涉及叶片俯仰角针对给定叶片锥进运动量而发生的变化量，这涉及 成对叶片的垂直运动。由德尔塔-0导致的俯仰-锥进耦合改变了作用在旋翼 上的空气动力学锥进力，改变了旋翼响应、旋翼频率和旋翼浆毂力。俯仰-
雄进耦合也改变了具有4个或更多个叶片的斜旋翼中的旋翼系统对于阵风扰 动的灵敏性，可能改变旋翼系统的朴动-滞后稳定性。这是因为带有4个或 更多个叶片的斜旋翼具有惯性(reactionless )锥进模式，此时成对叶片以不 同量和/或沿着不同方向锥进，在三叶片斜旋翼上不存在这种情况。俯仰-锥 进耦合改变了平面外惯性锥进模式频率，并且可能导致该模式更为接近惯性 面内模式。如果惯性锥进模式频率太靠近惯性面内模式频率，则可能发生朴 动-滞后失稳。
优化的旋翼浆穀设计必须提供适当的俯仰-朴动耦合，用来控制朴动， 并且提供适当的俯仰-锥进耦合来确保维持朴动滞后(flap-lag)稳定性。不 幸的是，现有技术的旋翼浆毂配置并没有同时提供期望的俯仰-朴动耦合和 俯仰-锥进耦合，并且仅仅是优化了其中一个耦合的妥协配置。
图1是具有4叶片旋翼的斜旋翼飞行器的倾斜视图； 图2是根据优选实施方式并用在图1所示飞行器上的旋翼浆毂组件的倾 斜视图3是图2所示旋翼浆毂的正视图，示出了该组件的叶片俯仰控制系统 处于减小叶片俯仰角的位置；
图4是图2所示旋翼浆毂的侧视图，示出了该组件的叶片俯仰控制系统 处于减小叶片俯仰角的位置；
图5是图2所示旋翼浆毂的正视图，示出了该组件的叶片俯仰控制系统 处于增大叶片俯仰角的位置；
图6是图2所示旋翼浆毂的侧视图，示出了该组件的叶片俯仰控制系统 处于增大叶片俯仰角的位置；
图7是图2所示旋翼浆穀的正视图，示出了该组件的叶片俯仰控制系统处于减小叶片俯仰角的位置，示出了该浆毂组件处于万向节连接的取向；
图8是示出针对图2所示旋翼浆毂的两个预锥角值，叶片俯仰角和德尔 塔-3角度之间关系的曲线。
具体实施例方式
万向节式旋翼浆毂配置用在飞行器中，旋翼浆毂配置在斜旋翼飞行器上 特别有用。旋翼浆毂具有万向节轭架，其允许朴动运动，并且旋翼叶片可以 调节俯仰角。斜盘和俯仰角柄之间的跨越(step-over)联杆系能控制叶片俯 仰角，该跨越联杆系能同时为失速颤振稳定性提供期望的俯仰-朴动耦合值 (德尔塔-3 ),并为惯性朴动-迟滞稳定性提供希望的俯仰-锥进耦合值(德尔 塔-0)。跨越联杆系允许具有4片或更多片叶片的旋翼与三叶片旋翼具有同 样的德尔塔-3值，可以给出随集中输入变化的德尔塔-3,用来提高稳定性， 并且用来选择期望的德尔塔-O值。如果没有跨越机构，这些耦合参数其中之 一将不能处于优化设置，并且导致空气动力稳定性降低。
参照图1,飞行器ll是斜旋翼飞行器，具有机身13和从机身13延伸的 机翼15、 17。短舱19、 12旋转安装到每个机翼15、 17的外端，且每个短舱 19、 21容纳一个引擎(未示出)，用来旋转相连的推进旋翼23、 25。每个推 进旋翼或旋翼具有多个旋翼叶片27,并且所示的实施方式每个旋翼23、 25 具有4个叶片27。每个旋翼23、 25还具有中央旋翼浆毂，该浆毂保持叶片 27并位于旋压盖29以下。旋翼为万向节浆毂并且具有跨越联杆系，以下将 有详细说明。
图2至图7示出了用在图1所示飞行器上的旋翼浆毂的优选实施方式。 旋翼浆毂组件31包括轭架33，该轭架借助恒速扭矩耦接器37连接到主轴 35,与主轴一起旋转。在所示实施方式中，轭架包括4条叶片连接臂39a、 39b、 39c、 39d，并且轭架利用紧固件刚性连接到扭矩耦接器37。扭矩耦接 器37的一部分可以通过在轴承47上围绕垂直轴线43、 45旋转而相对于主 轴35枢转，并且该配置允许轭架和连接到臂39a、 3%、 39c、 39d的叶片(未 示出)相对于主轴35万向节式运动。作为说明性示例，示出了叶片夹具49 连接到臂39d，叶片夹具49在臂39上围绕俯仰轴线枢转，用来调节相连的 叶片的俯仰角。叶片夹具49具有位于夹具49内端并从夹具49径向延伸的 俯仰角柄53。俯仰角柄53围绕轴线51运动导致叶片俯仰角相应变化。浆毂组件31示出只带有一个位于轭架33上的叶片夹具49,当然在完整组件中， 叶片夹具49和叶片可以连接到每一条臂39a、 39b、 39c、 39d。
跨越联杆系(仅示出 一个)将每个俯仰角柄53连接到飞行控制系统(未 示出)，诸如例如斜盘，根据飞行控制系统的输入控制叶片俯仰角。飞行控 制系统在操作过程中可以相对于主轴35处于固定位置或者可以相对于主轴 移动，但是飞行控制系统并不相对于主轴35与轭架33和相连的叶片万向节 式连接。刚性俯仰联杆55在其相对端部具有球形轴承杆端57、 59,下杆端 57连接到飞行控制系统，上杆端59连接到跨越臂61。跨越臂61是刚性构 件，在根端63枢转连接到跨越底座65,该底座刚性连接到扭矩耦接器37。 每条跨越臂围绕跨越轴线66枢转。相对着根端63的联杆端67配置成接收 俯仰联杆55的杆端59。刚性跨越联杆69连接跨越臂61的联杆端67与叶片 夹具49的俯仰角柄53，跨越联杆69在联杆69的相对端具有下杆端71和上 杆端73，每个杆端71、 73为球形杆端。使用球形轴承杆端57、 59、 71、 73 允许联杆55、 69相对于连接到杆55、 69每一端的部件以不同的角度枢转， 而不会发生干涉。
跨越联杆系因解耦俯仰-朴动(德尔塔-3)和俯仰-锥进(德尔塔-0)运 动学参数，而带来了显著的优势。这是因为，德尔塔-O参数来自每个叶片的 俯仰角柄诸如俯仰角柄53和叶片锥进轴线之间形成的角度，而德尔^荅-3参 数来自俯仰联杆55和朴动轴线43、 45之间形成的角度。俯仰角柄53/叶片 夹具49、跨越联杆69、跨越臂61和扭矩耦接器37/轭架33形成4联杆机构， 该4联杆机构相对于主轴35万向节式连接，而在朴动过程中相对于俯仰联 杆55万向节式连接。这意味着4联杆机构的构件之间的角度不会因为朴动 运动而变化，并且由朴动运动唯一导致变化的角度是俯仰联杆55和跨越臂 61的联杆端67之间的角度。使用跨越联杆系的另一项优势在于俯仰联杆55 可以更为靠近相邻旋翼叶片，从而较之使用在飞行控制系统和俯仰角柄53 之间延伸的 一条联杆且无干涉地实现的结果而言，实现期望的耦接参数。
图3至6示出了旋翼浆毂组件31,跨越联杆系在对应于减小叶片俯仰角 的第一位置(图3和4)和对应于增大叶片俯仰角的第二位置(图5和6) 之间移动。在优选实施方式中，因俯仰角柄53位于叶片夹具49的拖尾边缘 上，所以跨越联杆系沿着与相关叶片引导边缘相对的方向移动。
图3和4示出了俯仰联杆55移动到最上位置的浆穀组件31,导致跨越臂61围绕轴线66旋转且跨越联杆69也移动到最上位置。俯仰角柄53因此 移动到最上位置，导致叶片夹具49围绕俯仰轴线51旋转，使得相连的叶片 移动到最小叶片俯仰角位置。
图5和6示出了俯仰联杆55移动到最下位置的浆毂组件31,导致跨越 臂51围绕轴线66旋转，且跨越联杆69也移动到最下位置。俯仰角柄53因 此移动到最下位置，导致叶片夹具49围绕俯仰轴线51旋转，使得相连的叶 片移动到最大叶片俯仰角位置。
图7示出了浆毂组件31，跨越联杆系移动到最上位置且浆毂组件31相 对于主轴35万向节式连接。示出了组件31围绕由轴承47限定的轴线旋转， 正如朴动运动中发生的情况，此时前进叶片升高而后退叶片下降。允许万向 节浆毂组件31朴动，使得轭架33和相连的叶片(未示出)相对于主轴35 成一定角度。如上所述，该图示出了跨越联杆系的相对角度在朴动过程中不 发生变化，除了俯仰联杆55和跨越臂61之间的角度。此时，未朴动系统(俯 仰联杆55和相连的飞行控制系统)与发生朴动的系统(浆毂组件31 )汇合， 此时确定德尔塔-3参数。这样，从德尔塔-3参数解耦了德尔塔-0参数。
跨越联杆系对于斜旋翼飞行器特别有用。在直升飞机模式下，希望德尔 塔-3值较大，此时叶片相对于旋翼平面成较小的角度，而在飞机模式下(低 集中度)，希望德尔塔-3值较小，此时叶片相对于旋翼平面(高集中度)定 位在较大角度。现有技术中的叶片俯仰联杆系配置要求一个或多个参数相互 达成不希望的妥协。因为德尔塔-0和德尔塔-3参数在跨越联杆系中解耦，所 以锥进不会影响德尔塔-3，并且可以在集中度的整个范围内优化德尔塔-3。 这是通过将跨越轴线66相对于旋翼平面倾斜来实现的，正如图3、 5和7所 示。跨越轴线66示出略樣i向下倾斜。
图8是示出针对两个预锥角(precone)值绘制的负德尔塔-3角度与给定 叶片俯仰角度的曲线，这是跨越轴线66的角度。如上所述，在低集中度下 希望负德尔塔-3较大，这对应于直升飞机模式并且在x轴上位置向左，而在 高集中度下希望负德尔塔-3较小，这对应于飞机模式并且在x轴上位置向右。 如该曲线所示，对于从-8度到+54度的叶片俯仰角范围来说，-5度的预锥角 值用于大约-31度到大约-16的德尔塔-3角度范围。但是，在飞机模式下通常 希望负德尔塔-3值较小。对于-10度的预锥角值绘制的值显示出负德尔塔-3 在直升机模式下略大，并且德尔塔-3随着叶片俯仰角增大而继续增大，在俯
9仰角的整个范围内提供了有利的耦合特性。
应该注意，跨越联杆系的部件如图所示的相对位置应该认为是示例性质 的。跨越联杆系可以不同于图中所示的配置，从而提供各种优势特性或参数。
例如，虽然俯仰联杆55和跨越联杆69示为连接到跨越臂61大约相同的位 置，但是联杆55、 69可以连接到距离跨越轴线66不同的距离处。这样将允 许减少或增加一条联杆55、 69相对于另一条联杆55、 69的行程量。
跨越联杆系配置提供若干优势，包括(l)提供简单的控制系统，用于 控制万向节式旋翼的叶片俯仰角；(2)提供解耦的俯仰-朴动和俯仰-锥进运 动学特性；和(3)能为俯仰-朴动和俯仰-锥进耦合给出希望的值。
虽然讨论了说明性的实施方式，但是本说明书并不应该理解为限制的意 思。在参照本说明书之后，对于说明性实施方式的各种改动和组合以及其他 实施方式对于本领域技术人员而言都是可以想到的。
权利要求
1.一种用于飞行器的叶片俯仰控制系统，该控制系统控制多个旋翼叶片每一个围绕关联俯仰轴线的运动，该控制系统包括适配成与主轴一起旋转并用于相对于主轴万向节式连接的旋翼浆毂；多条跨越臂，每一条跨越臂连接到该浆毂并能相对于该浆毂围绕枢转轴线枢转，该枢转轴线相对于该浆毂处于固定取向并在所述浆毂的万向节式运动过程中随着该浆毂运动；多条俯仰联杆，每一条俯仰联杆适配成将其中一条所述跨越臂连接到飞行控制系统，用来响应来自该飞行控制系统的输入相对于所述浆毂枢转相连的跨越臂；和多条跨越联杆，每一条跨越联杆适配成将其中一条跨越臂连接到其中一个叶片，以响应相连跨越臂的枢转而围绕相应的俯仰轴线转动相连的叶片。
2. 如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，每一条跨越臂为细长 臂，所述跨越臂一端枢转连接到所述浆毂，而相对一端自由，围绕所述枢转 轴线自由旋转，相连的俯仰联杆和跨越联杆连接到所述跨越臂上朝向所述跨 越臂的所述自由端的位置。
3. 如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，每一条枢转轴线相对 于所述浆毂取向在选定的角度。
4. 如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述飞行控制系统包 括斜盘，且所述俯仰联杆适配成将所述跨越臂连接到所述斜盘的旋转部分。
5. —种旋翼浆毂组件，包括适配成随主轴旋转的耦接器，所述耦接器至少一部分配置成相对于所述 主轴万向节式运动；连接到所述耦接器并适配成承载多个叶片的轭架，每个叶片围绕俯仰轴 线枢转，所述轭架配置成在所述耦接器万向节式运动过程中随着所述耦接器 运动；多条跨越臂，每条跨越臂连接到所述耦接器并能相对于该耦接器围绕枢 转轴线枢转，该枢转轴线相对于所述耦接器处于固定:f又向并在所述耦接器万 向节式运动过程中随所述耦接器运动；多条俯仰联杆，每条俯仰联杆适配成将其中一条跨越臂连接到飞行控制系统，以响应来自该飞行控制系统的输入相对于所述耦接器枢转相连的跨越臂；和 '多条跨越联杆，每条跨越联杆适配成将其中一条跨越臂连接到其中一个 叶片，以响应关联的跨越臂的枢转而围绕相应的俯仰轴线旋转相连的叶片。
6. 如权利要求5所述的控制系统，其特征在于，每条跨越臂是细长臂，所述跨越臂一端枢转连接到所述耦接器，而相对一端自由，围绕所述枢转轴 线旋转，相连的俯仰联杆和跨越联杆连接到所述跨越臂上朝向所述跨越臂的 所述自由端的位置。
7. 如权利要求5所述的控制系统，其特征在于，每一条枢转轴线相对 于所述耦接器取向在选定的角度。
8. 如权利要求5所述的控制系统，其特征在于，所述飞行控制系统包 括斜盘，且所述俯仰联杆适配成将所述跨越臂连接到所述斜盘的旋转部分。
9. 一种旋翼飞行器，包括 主轴；适配成随主轴旋转的耦接器，所述耦接器至少一部分配置成相对于所述 主轴万向节式运动；连接到所述耦接器的轭架，所述轭架配置成与所述耦接器万向节式连接；由该辄架承载的多个叶片，每个叶片能围绕俯仰轴线枢转；多条跨越臂，每条跨越臂连接到所述耦接器并能相对于该耦接器围绕枢转轴线枢转，该枢转轴线相对于所述耦接器处于固定取向并与所述耦接器万向节式连接；多条俯仰联杆，每条俯仰联杆适配成将其中 一条跨越臂连接到飞行控制 系统，以响应来自该飞行控制系统的输入相对于所述耦接器枢转相连的跨越 臂；和多条跨越联杆，每条跨越联杆适配成将其中 一条跨越臂连接到其中 一个 叶片，以响应相连的跨越臂的枢转而围绕相应的俯仰轴线旋转相连的叶片。
10. 如权利要求9所述的控制系统，其特征在于，每条跨越臂是细长臂， 所述跨越臂一端枢转连接到所述耦接器，而相对一端自由，围绕所述枢转轴 线旋转，相连的俯仰联杆和跨越联杆连接到所述跨越臂上朝向所述跨越臂的 所述自由端的位置。
11. 如权利要求9所述的控制系统，其特征在于，每一条枢转轴线相对 于所述耦接器取向在选定的角度。
12. 如权利要求9所述的控制系统，其特征在于，所述飞行控制系统包括斜盘，且所述俯仰联杆适配成将所述跨越臂连接到所述斜盘的旋转部分。
全文摘要
一种用于飞行器旋翼上的叶片的俯仰控制系统，具有万向节式旋翼浆毂(31)和连接到该浆毂并能相对于该浆毂围绕枢转轴线枢转的多条跨越臂(61)。多条俯仰联杆(55)中的每一条将其中一条跨越臂(61)连接到飞行控制系统，以响应来自该控制系统的输入相对于所述浆毂围绕所述枢转轴线枢转相连的跨越臂(61)。多条跨越联杆(69)的每一条将其中一条跨越臂(61)连接到其中一个叶片，以响应相连跨越臂的枢转而围绕所述俯仰轴线旋转相连的叶片。
文档编号B64C27/54GK101528540SQ200680056178
公开日2009年9月9日 申请日期2006年12月8日 优先权日2006年12月8日
发明者基思·斯坦内, 小詹姆斯·L·布拉斯韦尔, 布赖恩·巴斯金, 帕特里克·R·蒂斯代尔, 弗兰克·B·斯坦普斯, 戴维·A·波佩尔卡, 托马斯·C·坎贝尔, 汤姆·多诺万, 理查德·E·劳博, 瑞安·史密斯, 约翰·J·科里根三世, 马克·瓦西科夫斯基 申请人:贝尔直升机泰克斯特龙公司